In general, what selects one pattern rather than another？

2021年1月，Tobasco發(fā)表了一篇論文（https://link.springer.com/article/10.1007/s00205-020-01566-8），肯定地回答了這個(gè)問題——至少可以回答將光滑、彎曲、有彈性的片材壓成平面的情況（這些條件為解決這個(gè)問題提供了一種明確的方法），皺巴巴的球是三浦織的隨機(jī)無序版本。他的“方程式”預(yù)測(cè)了看似隨機(jī)的褶皺是如何包含具有重復(fù)、可識(shí)別的“有序”域。上個(gè)月他又與人合作了一篇論文，展示了一種新的、以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)為基礎(chǔ)的物理理論，該理論可以預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的模型。

值得注意的是，Tobasco的工作表明，褶皺在許多方面可以被視為幾何問題的解。“這是一個(gè)美妙的數(shù)學(xué)分析，”德國波恩大學(xué)豪斯多夫數(shù)學(xué)中心的Stefan Müller 說。

它首次優(yōu)雅地闡述了這一普遍現(xiàn)象背后的數(shù)學(xué)規(guī)則——以及一種新的理解?！皵?shù)學(xué)在這里的作用并不是證明物理學(xué)家已經(jīng)做出的猜想”，紐約大學(xué)庫朗研究所的數(shù)學(xué)家、Tobasco的研究生院顧問Robert Kohn說，“而是對(duì)于以前我們沒有系統(tǒng)理解的地方，提供一個(gè)數(shù)學(xué)理論。”

Stretching Out

發(fā)展褶皺理論和彈性理論是一個(gè)古老的目標(biāo)。1894年，在《自然》雜志的一篇文章中，數(shù)學(xué)家George Greenhill指出了理論學(xué)家（“我們要思考什么？”）以及他們可以弄清楚的有效應(yīng)用（“我們要做什么？”）之間的區(qū)別。

在19世紀(jì)和20世紀(jì)，科學(xué)家們?cè)凇拔覀円鍪裁础狈矫嫒〉昧撕艽筮M(jìn)展，研究了與正在變形的特定物體的褶皺有關(guān)的問題。早期的例子包括：為航海船只鍛造光滑、彎曲的金屬板的問題，以及試圖將山脈的形成與地殼的加熱聯(lián)系起來。

最近，數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家更加努力地將理論研究、實(shí)際觀察與各種起皺情況、幾何形狀和材料聯(lián)系起來。“這已經(jīng)持續(xù)了大約10年，我們首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，然后試圖找到可以理解它們的理論”，牛津大學(xué)的數(shù)學(xué)家Dominic Vella說?！爸钡阶罱?，我們才開始有了正確的認(rèn)識(shí)?！?/p>

Ian Tobasco提出了一種理論，該理論以數(shù)學(xué)方式描述了曲面被壓平時(shí)出現(xiàn)的各種褶皺。

他們已經(jīng)取得了一些令人興奮的結(jié)果。2015年，麻省理工學(xué)院的機(jī)械工程師Pedro Reis描述了在癟硅球上形成的幾何圖案的物理規(guī)律。他的工作將這些褶皺和彈性材料內(nèi)外層的厚度聯(lián)系了起來。Reis還指出，褶皺可能會(huì)為設(shè)計(jì)新機(jī)械行為提供機(jī)會(huì)，而不是被視為缺點(diǎn)。然后在2017年，Vella帶頭領(lǐng)導(dǎo)分析了薄彈性薄膜在壓力下的起皺不穩(wěn)定性，并描述了褶皺數(shù)量是如何根據(jù)初始戳的深度和其他具體細(xì)節(jié)的變化規(guī)律。

但這些發(fā)展仍然只解決了部分問題。為了更一般地理解褶皺是如何形成的，我們需要一種不同的方法。而Tobasco則是進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域前進(jìn)的人。

Following Curiosity

Tobasco年輕的時(shí)候，他認(rèn)為自己會(huì)進(jìn)入航空航天工程。他2011年畢業(yè)于密歇根大學(xué)，獲得了該領(lǐng)域的學(xué)士學(xué)位，但那時(shí)他已經(jīng)開始深入思考數(shù)學(xué)推理和物理系統(tǒng)。他獲得了數(shù)學(xué)博士學(xué)位，所以他開玩笑地責(zé)怪現(xiàn)在雪城大學(xué)的物理學(xué)家Joey Paulsen讓他走上了研究褶皺的道路。

在Paulsen職業(yè)生涯的早期，當(dāng)他研究不尋常材料的性質(zhì)時(shí)，他學(xué)會(huì)了使用一種稱為旋涂的技術(shù)，制造并分析超薄聚合物薄膜。首先，他制造了一種特殊的液體材料，其中含有微量溶解的聚合物；然后他將材料放在旋轉(zhuǎn)板上。大部分液體會(huì)蒸發(fā)，而聚合物在凝固之前會(huì)擴(kuò)散成均勻的厚度。Paulsen在雪城大學(xué)擁有自己的實(shí)驗(yàn)室后，他學(xué)會(huì)了如何利用旋涂技術(shù)來制造彎曲的薄膜——比如超薄的龜殼。

有一天，他將其中一些彎曲的薄膜放在靜止的水面上，并拍攝了它們是如何沉降在水面上的?！斑@純粹是出于好奇”，他說。這些照片在2017年與Paulsen的一次非正式會(huì)議上引起了Tobasco的注意。

“這些現(xiàn)象表明你可以得到這些隨機(jī)無序的褶皺圖案——當(dāng)你把這個(gè)實(shí)驗(yàn)做上兩次時(shí)，你會(huì)得到兩種不同的圖案，”Tobasco說，他現(xiàn)在是芝加哥伊利諾伊大學(xué)的助理教授。“我想看看我是否可以從彈性中提出一些結(jié)合外殼形狀的可推導(dǎo)方法來預(yù)測(cè)那些圖案，而且模型不會(huì)因殼而異?！?

Wrinkling patterns are configurations with the least possible energy. 起皺圖案是能量最少的“方案”。也就是說，隨著薄膜沉積在平坦的表面上，它會(huì)變形，直到找到需要最少能量來維持“褶皺”的一種排列，無論這個(gè)“褶皺”是否無序”，你可以通過圖案顯現(xiàn)時(shí)存儲(chǔ)的能量來組織圖案，”Tobasco說。

在該指導(dǎo)原則的指引下，他總結(jié)了薄膜的一些特征，這些特征被證明是選擇其圖案模式的因素，包括一種稱為高斯曲率（Gaussian curvature）的形狀度量。具有正高斯曲率的表面會(huì)遠(yuǎn)離自身彎曲，就像球的外部一樣。相反，負(fù)彎曲的表面是馬鞍形的，就像一片薯片：如果你朝一個(gè)方向走，你會(huì)往上走，但如果你朝另一個(gè)方向走，你就會(huì)往下走。

Tobasco發(fā)現(xiàn)正高斯曲率區(qū)域產(chǎn)生一種有序和無序區(qū)域的排列，而負(fù)曲率區(qū)域產(chǎn)生其他類型?！熬唧w的幾何形狀并不那么重要”，Vella說?！耙?yàn)檫@真的只取決于高斯曲率的符號(hào)?！?

取決于被彎折的方式，一個(gè)物體可以有正的或是負(fù)的高斯曲率。 而當(dāng)物體被壓平時(shí)，高斯曲率可以決定出現(xiàn)的褶皺形狀



左為正高斯曲率，右為負(fù)高斯曲率



壓平物體后褶皺的形狀

他們?cè)鴳岩筛咚骨蕦?duì)起皺的重要性，但Vella表示，令他驚訝的是，褶皺區(qū)域竟然非常嚴(yán)重地依賴于符號(hào)。更重要的是，Tobasco的理論不僅僅適用于Paulsen的形式，也適用于更廣泛的彈性材料?！斑@是一個(gè)很好的幾何結(jié)構(gòu)，可以顯示褶皺出現(xiàn)的位置”，Vella說?！暗斫馑膩碓凑娴暮苌羁蹋悬c(diǎn)令人驚訝?！?/p>

Paulsen同意也這一點(diǎn)。

“What Ian’s theory very beautifully does is to give you the whole pattern, all at once.”

Real-Life Wrinkles

2018年初，Tobasco的理論已經(jīng)基本完善了——但即使這一理論在紙上有效，他仍不能確定它在現(xiàn)實(shí)世界中是否準(zhǔn)確。Tobasco聯(lián)系了Paulsen，詢問他是否有興趣合作。“有些東西馬上就奏效了”，Paulsen，“Ian的一些預(yù)測(cè)，放在實(shí)驗(yàn)圖片之上，我們立即可以看到它們?nèi)绱说奈呛?。?

在當(dāng)年的工業(yè)和應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)材料科學(xué)數(shù)學(xué)方面的會(huì)議上，Tobasco被介紹給賓夕法尼亞大學(xué)的物理學(xué)家Eleni Katifori，他正在探索受限殼中的褶皺圖形問題并建立一個(gè)結(jié)果數(shù)據(jù)庫。這是一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)?！拔覀兛梢钥吹絀an的工作在模擬中可以解釋的現(xiàn)象，”她說。這種匹配是不可思議的。在他們的第一次討論中，Tobasco的理論、Paulsen的實(shí)驗(yàn)圖像和Katifori的模擬就描述了相同的現(xiàn)象?！凹词乖谠缙陔A段當(dāng)我們沒有任何具體的東西時(shí)，我們也可以看到這種聯(lián)系?！?

這種早期令人興奮的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很快引起了懷疑。這似乎好得令人難以置信?！八且晃粩?shù)學(xué)家，他把所有這些東西都變成了無維度的，”Paulsen說，他指的是Tobasco關(guān)于曲率如何可以擴(kuò)展到二維平面材料之外的想法?！拔覀冋娴脑诳赐粋€(gè)系統(tǒng)嗎？結(jié)果表明如此，但結(jié)果應(yīng)當(dāng)是如此嗎？”

在接下來的兩年里，三位研究人員對(duì)細(xì)節(jié)進(jìn)行了討論，表明Tobasco的理論確實(shí)——準(zhǔn)確地——預(yù)測(cè)了Paulsen在他的實(shí)驗(yàn)中看到的褶皺排列，以及Katifori在她的計(jì)算機(jī)模型中發(fā)現(xiàn)的褶皺的排列。8月25日，他們?cè)贜ature Physics上發(fā)表了一篇論文，展示了這三種方法是如何匯聚在相同的、直接的褶皺幾何排列上的。

值得注意的是，他們發(fā)現(xiàn)這些圖案屬于整齊的等腰三角形家族，這些三角形劃分了有序和無序的領(lǐng)域。此外，結(jié)果不僅僅局限于在數(shù)學(xué)上抽象為薄到不能再薄的材料，并且同時(shí)也解決了厚度在不同數(shù)量級(jí)下的問題。

他們的工作還為擴(kuò)展該理論及其應(yīng)用提供了機(jī)會(huì)。Katifori 說，作為一名物理學(xué)家，她有興趣利用這些預(yù)測(cè)來設(shè)計(jì)新材料?！拔蚁肓私馊绾卧O(shè)計(jì)表面，以便它們可以自動(dòng)組織將起皺的圖案，使其成為你想要的東西?！?

另一個(gè)尚待解決的問題是該理論如何普遍地適用于不同類型的曲面?！斑@一理論的實(shí)踐主要集中在 [高斯曲率] 為正或負(fù)的情況，但在很多情況下，曲面有些區(qū)域是正的，有些是負(fù)的，”Vella 說。Paulsen同意這是一個(gè)令人興奮的可能性，Tobasco說他正在這個(gè)領(lǐng)域積極工作，并考慮其他形狀的貝殼——比如那些有孔的貝殼。

但Paulsen表示，即使就目前而言，這個(gè)理論也是美麗而令人驚訝的?！叭绻医o你一個(gè)殼和一個(gè)邊界形狀，以及Ian理論預(yù)測(cè)的這套簡(jiǎn)單規(guī)則，那么你可以拿一個(gè)指南針和尺子，基本上畫出上面的褶皺”，他說，“你大可不必這樣做，但這是可以做到的并且是非常令人震驚的。”

審核編輯：劉清